005地球的演化与地质时代

地球的演化与地质时代黄定华中国地质大学（武汉）•地球生物学系绵绵不尽的时间长河，谁会想到有一个源头？浩瀚无垠的宇宙空间，谁能想到是从“无”到有？地球的形成与演化，正是在这一无尽延续的时间中，无穷拓展的空间里，所发生的无数科学传奇之一。§1时间的“零点”与宇宙的“奇点”时间和空间的起点，肇始于160亿年前。一次开天辟地的大爆炸中，诞生了早期宇宙。——大爆炸时刻轰鸣的火车驶近我们时声波频率增强，声调变高；驶离时则声波频率降低，声调也变低，这就是多普勒效应。与此同理，发光体接近观察者时，见到的光谱线向频率高的蓝光方向移动，称为蓝移；当离开观察者时，向频率低的红光方向移动，称为红移。这也是多普勒效应。——多普勒效应宇宙的起源与演化宇宙的稳定性：牛顿引力定律吹气球模式与大爆炸模型F=fM1M2/R2多谱勒效应与星体红移从各个方向上观测到的星体都在离我们而去最初的宇宙，是从一个无穷小的“奇点”开始扩展的。大爆炸中诞生的宇宙，经历了从初期的急剧暴涨，早期的迅速扩张和后来的局部收缩阶段。其中一些重要的事件包括——大爆炸时刻表大爆炸后的10亿亿亿亿分之一秒（10-34秒）内，早期宇宙的体积“从无到有”，急剧暴胀了10100倍；大爆炸后的1秒钟内，宇宙温度高达100亿K以上。此时还没有原子和分子，只有电子、质子和中子等基本粒子；3分钟后，宇宙温度降至10亿K以下，质子和中子聚变为原子核，形成了最初的四种物质。其中氢占78%，氦约22%，另有极少量氘和锂；10亿年后，膨胀较慢的区域发生局部收缩，星系开始形成；50亿年后出现首批恒星；100亿年后，太阳系诞生；距今46亿年前，地球形成。星云假说与太阳系起源初始宇宙空间充满密度极低的星际气体和尘埃物质，在引力作用下，它们分别聚集为大型星系云，再收缩形成星系。星云在引力收缩中加速旋转，分别脱生出行星圆盘和卫星圆盘，最终形成了九大行星拱卫而成的太阳系。这一时刻距宇宙大爆炸约100亿年从大爆炸的尘埃中，谁会料到生命的突现？在太阳系的星云里，谁能预期地球的繁荣？幂幂宇宙中迸发出的勃勃生机，无疑是在一个无穷小的概率下，产生的一次“亿”载难逢的奇特机遇。而要了解地球与生命之旅的唯一途径，也许只有从地球演化的历史中探寻。楔子§2地球的早期演化行星地球形成以后，地球在内、外两部发动机的联合驱动下，才得以开始不懈的运动与演化过程。这两部发动机联合驱动，又各司其职，将地球系统的运动和演化过程从性质上划分为外动力作用过程和内动力作用过程，从时间上划分为短期过程（天至几百年）和长期过程（百万年至几十亿年）。地核－地幔过程太阳驱动过程板块构造物理气候系统生物地球化学循环早期地球过程古气候史古气候人类活动千－百万年尺度天－几百年尺度♫当原始地球内部物质升温达到熔融状态时，比重大的亲铁元素向地心下沉，成为铁镍地核，比重小的亲石元素上浮组成地幔和地壳，更轻的液态和气态成分，通过火山喷发溢出地表，形成原始的水圈和大气圈。最终在水圈和大气圈的相互作用中诞生了生命。地球的起源与形成，是一部优美的三部曲：♫46亿年前，太阳星云在加速旋转的过程中分化出原始地球。原始地球温度较低，轻重元素浑然一体，是一个相对均匀、尚无分层结构的行星。地球的起源与形成，是一部优美的三部曲：♫原始地球一旦形成，即扑获周围的星云物质（或在旋转中甩出自身的部分物质），形成自己的卫星——月球。同时因重力分异和放射性元素蜕变而开始增温。地球形成以后的地形变化可以按时间顺序分为六个阶段这六个时间分别为：46亿年阶段；42－40亿年；25－10亿年；5亿年前；1亿年前和现代阶段。地球表层地形的变化也经历了漫长的岁月地球形成以后的圈层结构变化地球圈层结构的形成以地球的化学分异作用为主，其中包括重力分异等物理过程。1、在地球形成初期，熔融的地球最早进行的化学作用是分异成圈过程，即由均一的物质分解出不混熔的液滴，不混熔的液滴不断聚集，导致密度大的物质下沉形成地核，实现了核、幔分异；三圈分异两部曲2、随之，地幔逐渐冷却固化，易融物质因其熔点和密度较低，逐渐上浮至地球表层，冷却后形成地壳。早期在高能状态下生成了镁铁质岩浆，冷凝后形成原始岩石圈，当时热点的规模也非常大；随后长英质岩浆上升、生成的沉积岩开始褶皱；继后，部分熔融的中性和长英质岩浆上升形成原始大陆地壳、并开始生成变质岩，现代壳幔结构形成。岩石圈的演化过程大型热点形成的火山岩绿岩带沉积岩开始褶皱地幔对流地壳地幔早期沉积盆地长英质岩石大陆褶皱构造部分原始地壳下沉到地幔早期的镁铁岩和沉积岩开始转变成变质岩部分熔融的长英质岩浆上升部分熔融的中性和长英质岩浆上升形成原始大陆地壳深剥蚀面原始地壳地球的演化与生命的起源地球从形成到今天已经有46亿年。若以46亿年比作人类的一年，那么在这“一年”中，地球形成于一年肇始的1月初；地壳于2月凝结（38亿年前）；原古海洋在3月产生；最早的生命诞生于4月，但它们留下化石则已是5月间了；12月中旬时，恐龙成为当时地球上的主宰；灵长类的踪迹晚至12月26日才出现；作为一代天骄的人类历史，如以300万年计，则直到12月31日“傍晚”的“6点24分”，方才姗姗来迟。但却恰好赶在“除夕”之夜的《新闻联播》之前，成为这一“年”内最具爆炸性的新闻如果从最早的人类开始算起，可以把上下5千年的中华民族历史延长600倍；如果从地球肇始的46亿年开始，可以把从猿到人的演变过程操练1500遍。46亿年有多长？§3地质年代表地质年代的建立：为了反映地球发展的历史和阶段及地质事件的先后顺序，需有一世界统一的时间系统——地质年代表。地质年代分为两类：相对地质年代（先后顺序）和绝对地质年代（同位素测年）。突变论与渐变论之争国际地质年代表地质年代和事件时间是如何确定的？由于地球形成以来经历过复杂的改造和变动，原始地球形成时的物质记录已经破坏殆尽。推测地球的年龄，需要从地球自身的最老物质记录、月球岩石年龄和太阳系内原始物质几方面来探讨之。地球上已知最老的岩石是一种出露于澳大利亚西南部的石英岩，根据其中所含矿物（锆石）的形成年龄测定，证明已有41～42亿年历史。月球上最老的岩石年龄约为46亿年。太阳系内的流星、陨石和宇宙尘是太阳星云原始物质的残留部分，其中陨石的物质成分虽有铁质、石质之分，但已知的形成年龄都在46亿年左右，可以代表太阳系早期的年龄。陨石的成因陨石是小行星的碎片，但“一个母体形成陨石”的观点已被“众多小行星母体形成”的观点所取代。由于小行星的形成时间和形成方式与地球相似，对比陨石的成因就可以了解地球的成因和组成。陨石的年龄已收集到的不同陨石群的年龄不同，但用不同方法测定的陨石的最老年龄集中于45-47亿年；推测地球的形成年龄即为46-47亿年。相对地质年代相对地质年代确定的依据：岩层的沉积顺序、生物演化和地质体之间的相互关系。了解相对地质年代，必须了解地层与化石的概念。必须掌握地层层序律、化石层序律和和生物演化律的基本内涵。岩层：是指两个界面所限制的同一岩性的层状岩石，包括沉积岩、火山岩和部分变质岩。地层：具有一定时代含义的岩层或其组合。地层层序律：根据“将今论古”原则，成层岩石的形成是自下而上顺次叠置而成的；在未发生倒转或破坏的情况下，上覆地层新于下伏地层。未发生倒转的水平岩层新老未发生倒转的倾斜岩层新老古生物定年法生物演化律：生物演化的规律有四个方面的特点；1.从低级到高级、从简单到复杂。2.缓慢的量变到急速的质变交替出现，构成了演化的不同（性质的）阶段。3.生物的演化是不可逆的。4.生物具有对环境的适应性和迁移性。化石：保存在沉积岩层中被石化了的古生物的遗体和遗迹。化石层序律：不同时代的化石保存在不同时代的地层中，古老的化石只能保存在较早形成的地层中，年青的化石只能保存在较晚形成的地层中。发现于辽西地区、生活于1亿年内的双栖孔子鸟化石发现于云南澄江地区、生活于5亿年前的的古虫动物门化石生物进化的特点和规律进步性发展少多，简单复杂，低级高级生物发展的阶段性：原核真核；单细胞多细胞；多细胞体制不断改进生物进化的重大突破：异养自养；两极（合成者+生产者）三极（生产者+消费者+还原者）生态系；水生陆生进化的不可逆性在生物演化过程中，已经绝灭的生物和退化的器官，在以后的历史中就不可能再次出现生物进化的特点和规律器官相关律环境条件变化使生物的某些器官发生变异而产生新的适应时，必然会有其他的器官随之变异重演律（生物发生律）个体发育史是系统发育史的简短而快速重演个体发育：即个体从生命开始到死亡为止的演变过程系统发育：即生物系统的发生和演变过程生物进化的特点和规律适应：在长期的演化过程中，由于自然选择的结果，生物在形态结构及生理机能上，与其生存环境取得良好协调一致特化：生物对某种生活条件特殊适应的结果。它们在形态和生理上发生局部变异，但其整个身体的组织结构和代谢水平并无变化辐射：生物进化过程中，由于适应不同的生态条件或地理条件而发生物各分化趋同：亲缘关系疏远的生物，由于适应相似的生活环境而在形体上变得相似相对地质年代的确定地层叠覆律地质体之间的切割律：地质体之间的切割关系主要以下几种：1.岩体与岩层：沉积接触和侵入接触关系2.岩体与岩体之间的切割关系3.岩层与岩层之间的不整合关系（角度与平行不整合关系）Relativetime同位素地质年龄同位素地质年龄：利用同位素的蜕变规律来计算得到的矿物和岩石的形成年龄。同位素定年法Geode-time利用相对地质年代和同位素测年法，将地层系统、构造及生物演化阶段建成全球统一综合表，称地质年代表。地质年代表：§4地质年代和年代地层单位地质年代的划分与单位：以生物演化阶段、地层形成顺序、构造运动及古地理特征等为依据将地质历史划分为若干阶段而形成的年代单位，一个地质年代单位代表了一个时间地层单位中岩石形成的时间范围。划分等级：宙代纪世时间地层单位：与地质年代单位相对应。一个时间地层单位代表了一定时间范围内形成的全部岩层。具有全球对比意义。划分等级：宇界系统岩石地层单位：以地层的岩石特征作为划分依据的地层单位。它不考虑其年龄，具有地方性，使用范围有限。划分等级：群组段层组是基本岩石地层单位。命名：地名+等级名如蒲圻群、临湘组、邵东段等。地质年代年代地层岩石地层（时间单位）（地层单位）（地层单位）宙(eon)宇(eonothem)群(group)代(era)界(erathem)组formation)纪(period)系（system）段(member)世(epoch)统（serios）层(bed)地质年代和三种地层单位的异同与对比§5地质时期的重大转折期与地质事件在46亿年的漫长地质时期中，曾经出现过多次重大的地史转折和全球性事件。这些事件造就了今天的陆洋格局，奠定了我们生活其间的生命世界。然而，其中还有许多事件的起因和过程，至今仍是未解之谜。生命的演化地球物质本是宇宙中普通的物质，在地球上却演绎出一段神奇的历史——从无机界一统天下的最初局面，在电闪雷鸣中，从“原始汤”里面，分道扬镳，脱胎出了勃勃生命。石头里蹦出来的生命地球物质晶体—矿物—岩石—地质体—无机界氨基酸—蛋白质—细胞—高等生命—有机界生命形成于水中，最初的水是从地幔中析出的，所以应该说：生命是从石头里诞生的。艰难的进化之路生命之旅开始之初，曾经步履为艰：漫长的二十多亿年中，生命的种类一直是如此单一，在恶劣的生态环境中，艰难地向前。？脊椎动物起源？最早的后生动物？真核生物的起源40亿年已知最古老的岩石最早的生命的同位素证据最古老的原核生物化石30亿年动物登陆植物登陆10亿年20亿年人类出现（据舒德干资料）演化失败的Ediacara动物群生命的先驱在混浊的环境中探索向前，适者生存，否则淘汰，也随之成为自然界的基本法则直到一个突然出现的机遇，生命的旅程才发生了翻天覆地的变化。那真是“忽如一夜春风来，千树万树梨花开”。在地球广袤然而贫瘠的大洋中，仿佛一夜之间，出现了几乎所有的门类。生命大爆发触手担轮类蜕壳类原口动物后口动物原生动物寒武大爆发前寒武纪寒武纪大爆发Catchingth